II.2.3. Дифракционные решетки

Дифракционной решеткой называется оптический элемент, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесенных на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой периодическую структуру: штрихи с определенным и постоянным для данной решетки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток t, называемый периодом решетки. На практике чаще пользуются величиной 1/t, называемой постоянной решетки и имеющей размерность штрихов/мм. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В настоящее время в спектральных приборах в основном применяют отражательные решетки. У таких решеток штрихи наносятся на зеркальную, обычно металлическую, поверхность, а наблюдение ведется в отраженном свете.

Существенным отличием дифракционной решетки от спектральной призмы является практическая независимость угловой дисперсии от длины волны. Для решетки угловая дисперсия увеличивается с уменьшением расстояния между штрихами

D_=k/tcos, (II.13)

где  - угол наклона падающего света относительно нормали к поверхности решетки, k - порядок дифракционного спектра, а разрешающая способность определяется общим числом штрихов N, т. е. геометрическими размерами решетки. Разрешающая способность также возрастает с увеличением порядка спектра:

R=Nk. (II.14)

Однако с ростом порядка спектра его интенсивность снижается пропорционально квадрату порядка. Для устранения этого недостатка используются дифракционные решетки с профилированными штрихами.

Рис. II.9. Профиль штрихов эшелетта

Эшелле - отражательная дифракционная решетка, обеспечивающая концентрацию энергии дифрагированного излучения в спектрах высоких порядков (от 5 до 500). При относительно небольшом числе штрихов (10 - 100 штрихов/мм) для эшелле характерны очень высокие дисперсии и разрешающая способность. Профиль штриха этой решетки такой же, как у эшеллета, а угол блеска достигает 75.

Если штрихи нанести на поверхность вогнутого сферического зеркала, то получится дифракционная решетка, которая может служить одновременно в качестве диспергирующего элемента, а также камерного и коллиматорного объективов, так как обладает фокусирующими свойствами сферического зеркала. Такая решетка была предложена в 1882 году Роуландом. Оптическая схема спектрального прибора включает вогнутую дифракционную решетку, входную щель и регистрирующий элемент. Все детали оптической схемы расположены на окружности, называемой кругом Роуланда, диаметр которой равен радиусу кривизны решетки. Наряду с указанными преимуществами вогнутая решетка обладает существенным недостатком - астигматизмом, вследствие которого каждая точка входной щели изображается черточкой. Для устранения астигматизма требуется очень тщательная установка входной щели параллельно штрихам решетки.

Дифракционные решетки, применяемые для работы в различных областях спектра, различаются частотой и профилем штрихов, размерами, формой и материалом поверхности. Для ультрафиолетовой и видимой области наиболее типичны решетки, имеющие от 300 до 1200 штрихов на миллиметр. Штрихи на этих решетках выполняются на слое алюминия, предварительно нанесенном на стеклянную поверхность напылением в вакууме.

К преимуществам дифракционной решетки по сравнению с призмой можно отнести:

широкую область спектра;

малую зависимость угловой дисперсии от длины волны;

большую чем у призмы угловую дисперсию (исключение составляет область длин волн менее 250 нм, где кварцевые призмы дают сравнимые результаты);

простоту изготовления.

Недостатки дифракционных решеток следующие:

наличие нескольких дисперсионных порядков. Чтобы избавиться от этого недостатка, используют светофильтры или приборы со смешанной оптикой (комбинация решетки и призмы);

наличие “духов” - спектральных линий, которые наблюдаются в спектре, но отсутствуют в источнике. Это явление связано с дефектами изготовления решетки.